книги из ГПНТБ / Технология гидролизных производств учебник

глютатиона, входящего в состав специфического белка фермента. При этом образуется фермент-субстратный комплекс:

Под влиянием кофермента дегидрогеназы НАД это комплексное соединение превращается путем дегидрирования в окисленную форму — ацилмеркаптан, а НАД переходит в Н А Д -Н 2, т. е. в вос­ становленную форму.

богатая энергией и в присутствии фосфорной кислоты расщепля­ ется с образованием 1,3-дифосфоглицериновой кислоты. Фермент при этом регенерируется.

В дальнейшем образовавшаяся 1,3-дифосфоглицериновая кислота отдает один остаток фосфорной кислоты, содержащий макроэргическую связь, молекуле АДФ. При этом образуется 3-фосфо-

210

глицериновая кислота и АТФ. Эти превращения катализирует фермент фосфотрансфераза:

Затем 3-фосфоглицериновая кислота подвергается изомеризации, вследствие чего остаток фосфорной кислоты от третьего углерод­ ного атома переходит ко второму, образуя 2-фосфоглицериновую кислоту. Этот процесс происходит под влиянием фермента фосфоглицератмутазы.

2-фосфоглицериновая кислота под действием фермента фосфопируватгидратазы (энолазы) дегидратируется с образованием промежуточной фосфоэнолпировиноградной кислоты:

Затем с помощью фермента фосфотрансферазы происходит дефосфорилирование фосфоэнолпировиноградной кислоты, т. е. передача остатка фосфорной кислоты на АДФ с образованием пировиноградной кислоты в энольной форме и АТФ. Эта реакция идет в присутствии ионов К+.

Энолпировиноградная кислота. превращается в более устойчивую кетоформу, находящуюся в равновесии с энолыюй формой:

Пировиноградная кислота не накапливается, а под влиянием фермента пируватдекарбоксилазы сразу же расщепляется на уксусный альдегид и углекислоту, причем последняя является одним из конечных продуктов спиртового брожения. Этот процесс носит название декарбоксилирования пировиноградной кислоты

пировиноградная уксусный углекислота кислота альдегид

V ступень. На последней ступени брожения уксусный альдегид

восстанавливается во второй конечный продукт спиртового броже­ ния— этиловый спирт. Эта реакция идет под влиянием фермента алкогольдегидрогеназы, коферментом которой является НАД (никотинамидадениндинуклеотид). Уксусный альдегид взаимодей­

в фосфоглицериновую кислоту. При этом происходит образование

Образованием этилового спирта заканчивается процесс спирто­ вого брожения. Следовательно, превращение углеводов в спирт

иуглекислоту является сложным биохимическим процессом.

Побочные продукты спиртового брожения. Кроме главных про­

дуктов — этилового спирта и углекислоты — в результате сбражи­ вания дрожжами сусла, содержащего сахара, азотистые и мине­ ральные вещества, образуются различные побочные продукты: глицерин, сивушные масла, альдегиды, янтарная и другие кислоты. Кроме того, часть сахара расходуется на построение веществ самой клетки.

212

Изучение брожения ферментного сока, полученного из дрожжей, показало, что часть побочных продуктов образуется только при брожении живыми дрожжевыми клетками в результате процессов обмена веществ в них.

Глицерин образуется при сбраживании сусла как живыми дрожжами, так и ферментным соком, полученным из дрожжей,

вколичестве 3,5—3,9% от сброженного сахара.

Вначальный период брожения реакция идет в направлении

образования глицерина, так как к этому времени еще нет про­

брожения. Как отмечалось выше, восстановление НАД проис­ ходит одновременно с окислением фосфоглицеринового альдегида в фосфоглицериновую кислоту. Пока не образуется достаточное количество уксусного альдегида, акцептором водорода является 3-фосфоглицериновый альдегид, который, получая от НАД • Н2 водород, восстанавливается до глицеринфосфорной кислоты, при­ чем на каждую молекулу фосфоглицериновой кислоты образу­ ется одна молекула глицеринфосфорной кислоты. Последняя гидролизуется дрожжевой фосфатазой с образованием глицерина. А фосфоглицериновая кислота превращается в уксусный альдегид, а он — в этиловый спирт. Но, если уксусный альдегид связать, например с бисульфитом кальция или натрия, в альдегидбисульфитное соединение, то будет накапливаться главным образом глицерин, а не этиловый спирт, так как (по аналогии с начальным периодом брожения) в отсутствии уксусного альдегида его место в качестве акцептора водорода занимает фосфоглицериновый альдегид. Процесс брожения в этом случае можно представить следующей реакцией:

Таким образом, из каждой молекулы гексозы образуется молекула глицерина, С02 и соединение уксусного альдегида с бисульфитом. Брожение будет носить характер глицеринового.

Сивушные масла получаются при ректификации гидролизного спирта в количестве 0,3—0,7% от спирта. Они состоят из высших спиртов: амилового, изоамилового, пропилового, изобутилового с примесью других веществ — кислот, терпенов. Спирты сивушного масла образуются из аминокислот, находящихся в питательной среде или образующихся при автолизе или гидролизе дрожжевого белка. В процессе азотистого питания дрожжей белки расщепля­

213

уравнением:

R - CHNH2С00Н + Н20 — R — CH20H + C 02+ N H 3

аминокислота высший спирт

Процесс дезаминирования и декарбоксилирования происходит под влиянием дезаминирующего фермента и пируватдекарбоксилазы, которые имеются в дрожжах. Так как эта реакция связана с азотистым обменом клетки, сивушные масла образуются только при брожении живыми дрожжами.

3. СИСТЕМАТИКА ДРОЖЖЕЙ

В основу систематики дрожжей положены морфологические и физиологические признаки, различия в способах размножения, спорообразования, в местах обитания, в приспособлении к усло­ виям существования. Истинные, т. е. спорообразующие, дрожжи систематизированы В. И. Кудрявцевым. Он составил естественную систематику дрожжей, отображающую генеалогическую историю их происхождения, т. е. исторически сложившиеся взаимные связи организмов с условиями жизни и организмов между собой. По мнению В. И. Кудрявцева, правильно классифицировать микро­ организмы можно только тогда, когда общность их происхожде­ ния будет устанавливаться как по общности приспособлений к условиям жизни, к месту обитания, так и по общности струк­ турных признаков, связанных между собой. В. И. Кудрявцев все грибы объединяет в один класс грибов Fungi. Они представляют собой бесхлорофильные организмы, имеющие определенную структуру цитоплазмы и использующие для питания углерод безазотистых органических соединений (углеводов, органических кислот). В класс грибов входит порядок одноклеточных иемицелиальных дрожжевых организмов, носящий название Unicellomycetales. В зависимости от способа вегетативного размноже­ ния, являющегося морфологическим выражением определенных приспособлений дрожжей, они делятся на три семейства: 1) Saccharomycetaceae — почкующиеся дрожжи; 2) Schizosaccharomycetaceae — объединяет дрожжи, размножающиеся делением; 3) Saccharomycodaceae — дрожжи, почкующиеся полярно по концам клетки, почки отделяются перегородкой. Практического значения эти дрожжи не имеют.

Семейства делятся на роды в зависимости от способа образо­ вания и прорастания спор, их формы и других морфологических признаков. Так, к семейству Saccharomycetaceae относится 10 родов, в том числе и род Saccharomyces, куда входят дрожжи, применяемые в промышленности для получения спирта. Наиболее важным родом семейства Schizosaccharomycetaceae является род Schizosaccharomyces. Роды распадаются на виды, приспособив­ шиеся к тем или иным условиям жизни в.хозяйстве человека и природе и поэтому обладающие определенными биохимическими,

214

физиологическими и структурными признаками. Дрожжи рода Saccharomyces включают 18 видов, например виды Saccharomyces cerevisiae, Sacch. ѵіпі, существующие в условиях бродильных про­ изводств. К роду Schizosaccharomyces отнесено 25 видов. Вид Schizosaccharomyces pombe используется для сбраживания гидролизного сахара на спирт. Виды разделяются на большое число рас и штаммов, отличающихся по ряду свойств, связанных с требованиями того или иного производства и имеющих какиелибо дополнительные отличия.

В. И. Кудрявцев считает, что дрожжевые организмы, не обра­ зующие спор, но имеющие другие общие свойства со спорообра­ зующими дрожжами, должны быть отнесены к классу грибов Fungi, порядку Unicellomycetales и семейству Saccharomycetaceae, так как способностью к спорообразованию не обладал их общий предковый вид. Это свойство возникло у части дрожжей в про­ цессе эволюции и приспособления к неблагоприятным условиям существования. Аспорогенные дрожжи выработали другие сред­ ства защиты.

Типы дрожжей. Дрожжи, постоянно культивируемые человеком в благоприятных условиях для производственно-хозяйственных целей и дающие максимальный эффект при получении того или

в комки, склеиваться, сцепляться в хлопья, быстро оседающие на дно бродильного чана. Поэтому их называют также низовыми. Пылевидные, или верховые, дрожжи остаются почти одиночными, и бражка представляет собой равномерную взвесь. Это деление дрожжей связано с явлением, которое носит название флокуля­ ции. Под флокуляцией понимают образование комков дрожжей из гомогенной взвеси. При этом образование комков происходит на гидролизатах по типу ветвления в разных плоскостях неотде­ ленных дочерних клеток от материнских, а на сульфитных щелоках — по типу склеивания, слипания отдельных клеток.

Флокулирующие хлопьевидные дрожжи характеризуются по­ вышенным содержанием в клетках связанной воды и меньшим содержанием свободной. Связывание воды в клетках обусловлено содержанием в них веществ, богатых гидрофильными группиров­ ками. Такими веществами являются полисахариды клеточных оболочек. Если количество полисахаридов больше половины массы белка дрожжей, то клетки теряют сродство с водной фазой и диф­ фузную водную оболочку, вследствие чего такие клетки не дают равномерной взвеси и благодаря флокуляции переходят в осадок. В среде с аэрацией эти дрожжевые клетки, имеющие лиофобную поверхность, переходят в пену, что имеет место при флотации. Электрический заряд клетки также влияет на образование хлопьев. С уменьшением водной оболочки уменьшается и электрический заряд. Клетки, имеющие пониженный электрический заряд, обладают лиофобной поверхностью, между ними начинают дей­ ствовать силы сцепления, они флокулируют и при взаимодействии

215

с пузырьками воздуха флотируются в пену. Для флокулирующих дрожжей необходимо наличие в среде ионов кальция, железа и магния, а также депрессивных (водоотнимающих) веществ, под влиянием которых уменьшается количество свободной воды и по­ вышается содержание связанной. Способность дрожжей образовы­ вать хлопья изменчива и зависит от физиологического состояния их клетки и от условий культивирования.

Пылевидные дрожжи отличаются от хлопьевидных большим содержанием свободной воды (около половины их массы) и малым количеством связанной воды; полисахаридов содержится меньше половины массы белковых веществ клеток. Клетки пылевидных дрожжей, имеющие лиофильную оболочку, обладают. большим сродством с водной фазой, не флокулируют, не реагируют с пузырьками воздуха при аэрации среды и не флотируются, а на­ ходятся во взвеси в жидкости.

4. б и о х и м и ч е с к а я и ф и з и о л о г и ч е с к а я х а р а к т е р и с т и к а п р о и з в о д с т в е н н ы х КУЛЬТУР ДРОЖЖЕЙ СПИРТОВОГО БРОЖЕНИЯ

В производстве применяются многочисленные расы спиртообра­ зующих дрожжей. Расовой особенностью тех или иных дрожже­ вых культур считаются ценные и полезные в том или ином произ­

мышленности, относятся к родам Saccharomyces и Schizosaccharo-

На большинстве гидролизных заводов в настоящее время ис­ пользуют шизосахаромицеты или смесь шизосахаромицетов и сахаромицетов (на Ленинградском заводе). С освоением на гидролизных заводах метода непрерывного брожения создались условия, когда шизосахаромицеты стали преобладающими в

216

бродящей бражке, а на многих заводах полностью вытеснили сахаромицеты, с которыми гидролизные заводы работали в тече­ ние ряда лет. Шизосахаромицеты являются активными спиртообразователями, полнее сбраживают сахара глюкозу, сахарозу, галактозу, мальтозу, рафинозу, вызывают брожение декстринов сусла и дают выход спирта на 7—9% больше, чем сахаромицеты. Температура брожения их 35—36° С, развиваются они при более низких значениях pH (до 3,9). Однако они не стойки при хране­ нии и нарушении технологического режима, размножаются медленно и не способны синтезировать витамины (биотин, инозит, никотиновую кислоту и др.), необходимые для роста клеток и по­ строения ферментных систем. Эти витамины они ассимилируют в готовом виде. На гидролизатах лучше развиваются сахароми­ цеты, которые, активно размножаясь, синтезируют витамины и обогащают ими среду. Такая бражка пригодна для жизнедея­ тельности шизосахаромицетов. Поэтому для условий спиртового брожения гидролизатов целесообразен симбиоз шизосахаромице­ тов и сахаромицетов. Клетки шизосахаромицетов на обычном гидролизате не накапливают запасного энергетического вещества гликогена, поэтому они плохо переносят перебои в работе и консервацию при остановках завода. На гидролизате, облагоро­

и в клетках шизосахаромицетов накапливается гликоген, благодаря чему они становятся устойчивыми к неблагопрятным условиям и лучше сохраняются.

На некоторых заводах преобладают ветвистые дрожжи сахаро­ мицеты. Встречается небольшая примесь (1—2%) пылевидных дрожжей.

Под влиянием различных условий гидролизной среды однокле­ точные пылевидные дрожжи из рода Saccharomyces изменили свои морфологические свойства. На многих гидролизных заводах появились ветвистые формы дрожжей. Они сбраживают глюкозу и сахарозу, менее активно галактозу, не все дрожжи усваивают

характеристика некоторых производственных дрожжей спиртового брожения, применяемых на гидролизных заводах. Наиболее активными расами гидролизных дрожжей, производящими энергичное брожение, в настоящее время являются культуры ветвистых дрожжей-сахаромицетов: тавдинская (Т-С-1) и архангельская (А-С-1). Шизосахаромицеты канские (К-С-1), косьвинские (Кос-С-1), хорские (Хор-С-1) полнее сбраживают галактозу, составляющую 10% гексозного сахара. Они образуют большие количества спирта, чем сахаромицеты, при равных усло­ виях культивирования, так как делящиеся дрожжи обладают способностью более активно синтезировать индуцированный фер­ мент галактокиназу, по новой номенклатуре — АТФ: D-галактоза- 1-фосфотрансфераза (2. 7. 1. 6).

217

218

Методом селекции описанные расы выделены как наиболее эф­ фективные и высокопродуктивные, из микрофлоры гидролизных заводов. Культуры дрожжей, приспособленные к условиям дан­ ного производства, применяемые длительное время и дающие в этих условиях хороший выход необходимых продуктов, называ­ ются местными расами дрожжей. На большинстве сульфитно­ спиртовых заводов применяются культуры сорбирующихся дрож­ жей, т. е. прикрепленных к волокнам целлюлозы. К сорбирую­ щимся дрожжам (рис. 49, 2) относятся представители различных родов и видов семейства сахаромицетов. В основном они пред­ ставлены родами: Saccharomyces, Fabospora, Zygofabospora. Краткая биохимическая и физиологическая характеристика неко­ торых сорбирующихся дрожжей приведена в табл. 19.

Указанные местные культуры спиртообразующих дрожжей являются наиболее активными при сбраживании щелоков. В основном они являются флокулирующими дрожжами, которые хорошо сорбируются волокнами целлюлозы. Сорбирующиеся культуры дрожжей наряду с другими сахарами хорошо сбражи­ вают галактозу. Это так называемые галактозные дрожжи, содер­ жащие фермент галактокиназу.

На выход спирта, скорость его образования и физиологическое состояние дрожжей большое влияние оказывает концентрация дрожжей в бражке. Она должна соответствовать количеству пита­ тельных веществ в среде, которые обеспечили бы и прирост молодых клеток и стойкость зрелых. Оптимальной концентрацией является 15—20 г дрожжей в 1 л бражки. Это количество дрож­ жей быстро сбраживает сахар, обычно в течение 6—7 ч, и выход спирта достигает 57—59 л из 100 кг сбраживаемых сахаров. Указанная концентрация обеспечивает и необходимый прирост дрожжей, так как при низкой концентрации дрожжи активно размножаются, часть сахара используется на этот процесс, следо­ вательно, выход спирта понижается, а при высокой концентрации дрожжи медленно размножаются, постепенно отмирают, и броже­ ние замедляется. На скорость -брожения влияют также природа и концентрация сахара. Наиболее интенсивно сбраживаются глюкоза и фруктоза, медленнее манноза и труднее других галак­ тоза. Гидролизное сусло сбраживается с максимальной скоростью при концентрации сбраживаемого сахара 1,5—4%; при концен­

обмена веществ в дрожжах. Кроме того, высокая концентрация спирта отрицательно влияет на каталитическое действие фермен­ тов. Однако существуют осмофилыіые дрожжи, которые выносят высокое осмотическое давление, а потому могут сбраживать растворы, содержащие большие концентрации сахара. Для полу­ чения высоких и устойчивых выходов спирта необходимо закреплять и усиливать полезные свойства дрожжей, создавая им оптимальные условия развития, соответствующие их потреб­ ностям.

219